Трение работает против температуры: холодный лёд ведёт себя неожиданно и ломает все законы

Скользкость льда связано с деформацией кристаллической решётки

Лёд кажется простым и привычным, но его свойства десятилетиями ставили учёных в тупик. Почему по нему можно легко скользить даже в сильный мороз, когда о таянии не может быть и речи? Новое исследование наконец проливает свет на этот феномен и меняет устоявшееся представление о природе скольжения.

Фото: Анна Маляева is licensed under Рubliс domain

Коньки на льду

Конец популярного объяснения

Долгое время в учебниках доминировала версия о тонкой водяной плёнке, которая образуется на поверхности льда из-за давления, трения или локального нагрева. Эта гипотеза действительно объясняет часть наблюдений, но она плохо согласуется с реальностью. Люди катаются на лыжах и коньках при температурах около -20 °C, когда поверхность льда не демонстрирует заметного нагрева.

Именно это противоречие подтолкнуло исследователей к более глубокому анализу процессов, происходящих на границе твёрдых тел. Подобные пересмотры устоявшихся теорий не редкость для физики — достаточно вспомнить, как менялись взгляды на фундаментальные законы.

Что показало моделирование на молекулярном уровне

Команда учёных под руководством профессора Саарландского университета Мартина Мюзера применила крупномасштабные численные модели для изучения льда на уровне молекул. В работе использовалась модель TIP4P/Ice, которая хорошо воспроизводит известные свойства воды и льда.

Исследователи смоделировали контакт между двумя идеально плоскими кристаллами льда при экстремально низких температурах — вплоть до 10 кельвинов выше абсолютного нуля. Даже до начала движения в некоторых зонах кристаллическая структура оказывалась менее стабильной. Эти области были связаны с особым расположением электрических диполей молекул воды.

Всё решает движение, а не тепло

Когда начиналось скольжение, именно эти нестабильные участки становились точками разрушения. Кристаллическая решётка в них постепенно теряла порядок, не переходя в обычное жидкое состояние и не требуя значительного нагрева. В результате формировался тонкий аморфный слой — плотный и неупорядоченный, по своей структуре напоминающий переохлаждённую воду.

Этот слой сопровождался небольшим уменьшением локального объёма, что указывает на его более высокую плотность по сравнению с кристаллическим льдом. Важно, что его появление связано именно с механической деформацией, а не с температурными факторами. Об этом сообщает Jeuxvideo.

Почему холодный лёд ведёт себя иначе

Моделирование показало, что толщина аморфного слоя увеличивается по мере скольжения и подчиняется закону квадратного корня от пройденного расстояния. Это подтверждает, что ключевую роль играет само движение: каждое боковое смещение даёт молекулам шанс покинуть своё упорядоченное положение.

Учёные также проверили гипотезу "сверхсмазывания", согласно которой идеально гладкие, но смещённые кристаллы могут скользить почти без трения. Для льда эта идея не подтвердилась: без образования аморфного слоя касательные напряжения остаются высокими.

Парадокс экстремального холода

Один из самых неожиданных выводов связан с температурой. При очень низких значениях, около 10 K, дезорганизация структуры происходит быстрее, чем при -10 °C — примерно в шесть раз. Однако холодный лёд кажется менее скользким не потому, что он не тает, а потому что сформировавшийся аморфный слой становится более вязким и сильнее сопротивляется течению.

Подобные парадоксы нередко встречаются в истории науки и заставляют пересматривать привычные представления, как это уже происходило при обсуждении фундаментальных открытий в физике.

Приближение к реальным условиям

Чтобы связать модель с практикой, исследователи смоделировали движение твёрдой поверхности по льду. Оказалось, что гидрофильные материалы создают высокое трение, сопоставимое с экспериментальными данными, тогда как гидрофобные поверхности заметно снижают сопротивление скольжению.

Разница объясняется тем, как молекулы воды взаимодействуют с поверхностью: изменяется рассеивание энергии, но микроскопическая структура льда при этом радикально не перестраивается.

Сравнение старого и нового подхода

Традиционная теория связывала скольжение льда с таянием. Новый подход показывает, что ключевым фактором является механическая дезорганизация поверхности. Вместо жидкой плёнки возникает промежуточное аморфное состояние, которое и определяет характер трения.

Плюсы и минусы нового объяснения

Новая модель позволяет объяснить скольжение при экстремально низких температурах и объединяет разрозненные наблюдения в единую картину. В то же время она основана на вычислительных моделях и требует дальнейших экспериментальных подтверждений в разных условиях.